心臟磁共振特征跟蹤技術(shù)評(píng)估心肌應(yīng)變的臨床應(yīng)用及研究進(jìn)展

周慧慧 許楠 席芊

(同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科,上海 200092)

心臟疾病在過(guò)去20年來(lái),一直是全球首要死亡原因。心臟磁共振(cardiac magnetic resonance,CMR)以其高空間、高軟組織分辨率成為評(píng)價(jià)心肌結(jié)構(gòu)和功能的金標(biāo)準(zhǔn)[1]。目前,基于CMR的特征跟蹤(feature tracking,FT)技術(shù)提供快速采集及后處理,受到放射科、心內(nèi)科和心外科重視。此前,部分研究應(yīng)用CMR-FT技術(shù)觀察正常心肌應(yīng)變及應(yīng)變率(strain rate,SR)顯示出極好的重復(fù)性[2]。近年來(lái),該技術(shù)已能提供對(duì)左心室(left ventricle,LV)相對(duì)準(zhǔn)確的評(píng)估,但由于心房及游離右心室(right ventricle,RV)壁相對(duì)較薄,CMR-FT技術(shù)尚不能提供統(tǒng)一參考標(biāo)準(zhǔn)[3]。心室傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)包括心室舒張末期容積、心室收縮末期容積、射血分?jǐn)?shù)以及LV心肌質(zhì)量等,其中左室射血分?jǐn)?shù)(left ventricular ejection fraction,LVEF)最常用于危險(xiǎn)分層并廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)踐中,但其不能提供區(qū)域心功能信息,而CMR-FT技術(shù)通過(guò)心肌應(yīng)變分析可能會(huì)提供除傳統(tǒng)指標(biāo)以外的區(qū)域心功能信息。因此,為進(jìn)一步促進(jìn)CMR-FT技術(shù)研究,現(xiàn)就CMR-FT技術(shù)評(píng)價(jià)心肌應(yīng)變?cè)诙喾N心臟疾病的臨床應(yīng)用及進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 心肌形變參數(shù)及其意義

心肌形變參數(shù)包括心肌應(yīng)變及SR。心肌應(yīng)變是指張力作用下心肌發(fā)生形變的程度,通常由以下公式定義:(L1-L0)/L0,其中L1代表心動(dòng)周期中(通常是收縮末期)心肌節(jié)段長(zhǎng)度,L0代表該節(jié)段初始長(zhǎng)度(通常是舒張末期)[4]。當(dāng)應(yīng)變?yōu)檎禃r(shí),表示心肌組織的伸長(zhǎng)、增厚或松弛;當(dāng)應(yīng)變?yōu)樨?fù)值時(shí),表示心肌組織縮短、變薄或收縮。在心動(dòng)周期中從舒張末期到收縮末期,根據(jù)心肌形變的不同方向,CMR-FT技術(shù)可計(jì)算得到縱向應(yīng)變(longitudinal strain,LS)、周向應(yīng)變(circumferential strain,CS)和徑向應(yīng)變(radial strain,RS);其中,每個(gè)心肌應(yīng)變參數(shù)又分為整體應(yīng)變及節(jié)段應(yīng)變[3]。SR代表心肌發(fā)生形變的速率,包括收縮期SR、舒張?jiān)缙诩笆鎻埻砥赟R,分別表示心臟收縮及舒張功能。

1.1 心室應(yīng)變分析

通過(guò)后處理工作站多平面功能模塊在心室收縮末期和舒張末期自動(dòng)追蹤心內(nèi)、外膜輪廓(其中LV腔包括LV流出道),自動(dòng)計(jì)算LVEF、左心室舒張末期容積、左心室收縮末期容積等心室功能傳統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)。應(yīng)用FT模塊在心室長(zhǎng)軸及短軸CMR電影序列自動(dòng)識(shí)別心室舒張末期及收縮末期心內(nèi)、外膜輪廓,在整個(gè)心動(dòng)周期中自動(dòng)計(jì)算心室容積/時(shí)間曲線、整體和節(jié)段應(yīng)變及SR。

1.2 心房應(yīng)變分析

左心房(left atrium,LA)的主要作用是通過(guò)3個(gè)基本功能來(lái)調(diào)節(jié)LV充盈和心血管性能,包括儲(chǔ)存功能、通道功能和收縮功能[5]:(1)儲(chǔ)存功能(總應(yīng)變),當(dāng)心室處于收縮期時(shí),LA接受來(lái)自肺靜脈的血流量達(dá)到最大容量;(2)通道功能(被動(dòng)應(yīng)變),當(dāng)心室處于舒張?jiān)缙跁r(shí),房室瓣打開(kāi),使LA成為血液從心房流向心室的管道;(3)收縮功能(主動(dòng)應(yīng)變),當(dāng)進(jìn)入舒張晚期時(shí),LA積極收縮以完成心室充盈。右心房(right atrium,RA)功能與LA相似,也包括3個(gè)基本功能:(1)儲(chǔ)存功能(總應(yīng)變),代表心室收縮期靜脈回流收集;(2)通道功能(被動(dòng)應(yīng)變),代表心室舒張?jiān)缙?RA被動(dòng)將靜脈血液運(yùn)輸至RV;(3)收縮功能(主動(dòng)應(yīng)變),代表心室舒張晚期即心房收縮期,RA主動(dòng)收縮使RV進(jìn)一步充盈。CMR-FT技術(shù)通過(guò)對(duì)心房應(yīng)變和SR分析,提供了心房生理學(xué)3個(gè)基本方面的準(zhǔn)確量化[6]。

應(yīng)用后處理工作站FT模塊在CMR電影序列LA或RA四腔和兩腔視圖中手動(dòng)勾畫(huà)心房心內(nèi)、外膜輪廓,在分別處于心房?jī)?chǔ)存期、通道期及收縮期時(shí)測(cè)量LA儲(chǔ)存期、通道期及收縮期整體或節(jié)段應(yīng)變及SR。對(duì)于心房應(yīng)變測(cè)量,LA心肌輪廓不包括肺靜脈和左心耳,RA心肌輪廓不包括腔靜脈和右心耳。

2 缺血性心肌病

缺血性心肌病(ischemic cardiomyopathy,ICM)是指基于阻塞性冠狀動(dòng)脈疾病的收縮性LV功能障礙,可引起心肌缺血、心臟重構(gòu)及心臟擴(kuò)大,其發(fā)病率逐年增加,是最常見(jiàn)的心力衰竭(heart failure,HF)原因之一。CMR-FT技術(shù)通過(guò)應(yīng)變分析可在射血分?jǐn)?shù)降低之前檢測(cè)到細(xì)微的心肌損傷,對(duì)于有缺血但無(wú)阻塞性冠狀動(dòng)脈疾病的女性來(lái)說(shuō),其LV-CS降低,但這類(lèi)患者伴有冠狀動(dòng)脈微血管功能障礙時(shí),LV-CS及LV-SR反而增加,預(yù)示LV-CS的增加與冠狀動(dòng)脈微血管功能障礙的發(fā)生呈相關(guān)關(guān)系[7];目前預(yù)防心源性猝死指南建議將LVEF≤35%的ICM患者進(jìn)行植入型心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器治療作為首要預(yù)防措施,而對(duì)于LVEF降低但>35%的ICM患者,研究表明LV-整體縱向應(yīng)變(global longitudinal strain,GLS)(≥-8.2%)和RV-整體徑向應(yīng)變(global radial strain,GRS)(≤12.0%)聯(lián)合應(yīng)用對(duì)適當(dāng)?shù)闹踩胄托穆赊D(zhuǎn)復(fù)除顫器治療具有較高的預(yù)測(cè)價(jià)值,敏感性為85%,特異性為76%[8]。Vietheer等[9]研究發(fā)現(xiàn)在LVEF與心室表型相似的ICM與擴(kuò)張型心肌病(dilated cardiomyopathy,DCM)患者中,DCM患者整體周向應(yīng)變(global circumferential strain,GCS)和GRS顯著降低。此外,有研究表明慢性心肌缺血性患者應(yīng)變參數(shù)GCS及GRS降低,且與LVEF具有良好相關(guān)性,LVEF越低,其應(yīng)變值越低;其中非存活心肌CS及RS明顯受損,從而有效區(qū)分由延遲釓增強(qiáng)定義的存活心肌和非存活心肌[10],為ICM患者風(fēng)險(xiǎn)分層提供一個(gè)更客觀的度量指標(biāo)。

3 非缺血性心肌病

非缺血性心肌病是指除ICM以外的心肌疾病,包括DCM、肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy,HCM)、限制型心肌病及致心律失常性右室心肌病(arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy,ARVC)等。

DCM是一種以LV或雙心室擴(kuò)張和收縮功能障礙為主的心肌疾病。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)LV-GLS與DCM預(yù)后具有明顯相關(guān)關(guān)系[11],LV-GLS是DCM患者不良結(jié)局的重要獨(dú)立預(yù)測(cè)因子[12]。Mazurkiewicz等[13]研究發(fā)現(xiàn)CMR-FT應(yīng)變分析對(duì)DCM患者纖維化程度具有顯著評(píng)估能力,CS和徑向SR分別是LV和RV嚴(yán)重心肌纖維化(myocardial fibrosis,MF)的獨(dú)立預(yù)測(cè)指標(biāo)。此外,RV-GLS與主要不良心血管事件(major adverse cardiovascular event,MACE)密切相關(guān),RV-GLS可預(yù)測(cè)LVEF>35%的患者心律失常和HF相關(guān)事件以及LVEF<35%的患者HF相關(guān)事件[14]。

HCM是一種以心室肥厚為特征的常見(jiàn)心臟疾病,屬于遺傳性心肌病,目前病因不明,是年輕人猝死最常見(jiàn)的原因之一[15]。CMR-FT技術(shù)是一種無(wú)創(chuàng)、定量評(píng)估HCM患者整體及節(jié)段心肌形變的新型方法[16]。HCM和高血壓心臟病由于心肌肥厚表型相似而難以區(qū)分,研究[17]發(fā)現(xiàn)HCM患者LV-GRS、LV-GCS明顯增加,并與LVEF、LV心肌質(zhì)量及最大室間隔厚度存在相關(guān)性,因此,應(yīng)變分析有助于分辨HCM及高血壓心臟病從而指導(dǎo)臨床對(duì)癥治療。另有研究[18]表明對(duì)于LVEF正常的HCM患者,LV整體及節(jié)段應(yīng)變參數(shù)均顯著降低,并與N末端腦鈉肽前體(N-terminal pro-brain natriuretic peptide,NT-proBNP)水平升高及心肌肌鈣蛋白異常呈相關(guān)關(guān)系,其中LV-RS相關(guān)性最好,因此應(yīng)變分析可能有助于無(wú)創(chuàng)預(yù)測(cè)NT-proBNP及心肌肌鈣蛋白異常。此外,HCM患者發(fā)生MF時(shí)整體應(yīng)變及SR均降低,其中LV-GCS是LV纖維化最佳預(yù)測(cè)因子[19]。在梗阻性HCM患者中,間隔LS與MF及室性心律失常顯著相關(guān),可作為評(píng)估梗阻性HCM患者心律失常的風(fēng)險(xiǎn)分層指標(biāo)[20]。

限制型心肌病以單或雙心室充盈受限、舒張期容積縮小為特征,但其心室收縮功能及室壁厚度正?；蚪咏５男募〔?。限制型心肌病患者心肌細(xì)胞間質(zhì)失去正常彈性及間質(zhì)纖維化改變導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡、變性及LV僵硬[21],心室舒張功能受損,LV從舒張?jiān)缙诘绞鎻埻砥谛募?yīng)變逐漸降低[22]。此外,限制型心肌病患者LA儲(chǔ)存應(yīng)變降低,并與總死亡率和MACE獨(dú)立相關(guān)[23]。

ARVC是一種以RV心肌被進(jìn)行性纖維脂肪組織替代為特征的心臟疾病,屬于遺傳性心肌病,具有較高室性心律失常和心源性猝死風(fēng)險(xiǎn)。Vigneault等[24]在110例ARVC患者中研究發(fā)現(xiàn),CMR-FT技術(shù)與斑點(diǎn)跟蹤超聲心動(dòng)圖視覺(jué)評(píng)估相比具有更高的敏感性和特異性。CMR-FT技術(shù)能客觀量化ARVC患者心室整體和局部功能障礙及非同步性[25],表現(xiàn)為持續(xù)性室性心律失常的ARVC患者RV-LS和LV-CS均有所降低。Heermann等[26]研究發(fā)現(xiàn)ARVC患者RV-LS、RV-RS、LV-RS、LV-徑向SR均顯著降低。另一項(xiàng)研究[27]表明LV整體及節(jié)段性LS較LVEF更早發(fā)現(xiàn)早期LV受累,補(bǔ)充了常規(guī)指標(biāo)對(duì)ARVC評(píng)價(jià)的不足。此外,最新一項(xiàng)研究[28]表明即使在RA容量正常的情況下,ARVC患者也可表現(xiàn)出RA應(yīng)力受損,并與MACE相關(guān)。

另外,Porcari等[29]研究表明CMR-FT技術(shù)可為可疑心肌炎患者提供更全面和互補(bǔ)的應(yīng)變?cè)u(píng)估,LV-GCS和RV-GCS在20%的心肌炎患者中顯著降低,提示存在潛在功能障礙。

4 HF

HF是多種原因?qū)е碌男呐K結(jié)構(gòu)和功能的異常改變,使心室收縮和/或舒張功能發(fā)生障礙,是心血管疾病最主要的死亡原因。根據(jù)最新《心力衰竭通用定義和分類(lèi)》[30],將HF分為4個(gè)類(lèi)型。其中,CMR-FT技術(shù)在射血分?jǐn)?shù)保留的心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction,HFpEF)患者中價(jià)值最高。研究[31]表明LV-GLS是HFpEF死亡率獨(dú)立預(yù)測(cè)因子,LV-GLS>-20%(中位數(shù))的HFpEF患者無(wú)事件生存率顯著降低。另一項(xiàng)研究[32]表明,整體縱向應(yīng)變SR可識(shí)別早期舒張功能障礙,并與HFpEF患者不良結(jié)局獨(dú)立相關(guān);而Xu等[33]研究發(fā)現(xiàn)心外膜LV-GLS和LV-GRS對(duì)收縮功能障礙敏感,并與HF患者5年全因死亡率顯著相關(guān)。在HFpEF伴原發(fā)性高血壓患者中,LV應(yīng)變參數(shù)明顯受損,收縮期LV整體周向SR對(duì)于該患者與普通高血壓患者具有潛在的鑒別診斷價(jià)值[34]。此外,除心室受損以外,心房也會(huì)出現(xiàn)相關(guān)變化。研究[35]發(fā)現(xiàn)RA通道功能和儲(chǔ)存功能是全因死亡率獨(dú)立預(yù)測(cè)因素。

5 房性心肌病

目前CMR-FT技術(shù)正逐步用于心房功能研究,部分研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)變分析能反映心房功能早期變化,其可能是比LVEF更敏感的標(biāo)志物。有研究[36]表明CMR-FT技術(shù)可在早期識(shí)別LA功能障礙和形變,在LA擴(kuò)大之前即可顯示LA儲(chǔ)存及導(dǎo)管功能障礙。在過(guò)去的20年里,臨床迫切需要研究房性心肌病機(jī)制,部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)房性心肌病與多種心源性或非心源性疾病均密切相關(guān),均可導(dǎo)致心房基質(zhì)受損。其心房電生理和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,進(jìn)而引起MF,從而導(dǎo)致心房結(jié)構(gòu)重塑即能誘發(fā)心房顫動(dòng)(atrial fibrillation,AF)并促使AF進(jìn)展,相反,AF也能通過(guò)心房結(jié)構(gòu)重塑促進(jìn)房性心肌病進(jìn)展,二者共同存在且相互影響[37]。2016年房性心肌病專(zhuān)家共識(shí)[38]中,將房性心肌病定義為“心房的結(jié)構(gòu)、收縮功能或電生理特征發(fā)生改變,并導(dǎo)致心房重塑、傳導(dǎo)異常等相關(guān)臨床表現(xiàn)的一種疾病”。根據(jù)共識(shí)定義,房性心肌病在臨床上也可定義為L(zhǎng)A功能三個(gè)階段中任何一個(gè)階段異常。因此,心房應(yīng)變或SR可能作為一種心房成像生物標(biāo)志物,在房性心肌病如AF的預(yù)測(cè)、診斷和預(yù)后評(píng)估中至關(guān)重要。

研究[39]表明,LA應(yīng)變是進(jìn)展為持續(xù)性AF最強(qiáng)獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。LA容積和功能特征與AF發(fā)生獨(dú)立相關(guān),Wang等[40]研究發(fā)現(xiàn)AF患者左右心房?jī)?chǔ)存期GLS明顯低于正常對(duì)照組,其中,LA儲(chǔ)存期各節(jié)段LS均明顯低于正常對(duì)照組。另一項(xiàng)研究表明AF患者LA儲(chǔ)存、通道及收縮應(yīng)變均降低,并與MF負(fù)相關(guān)[41],且廣泛心房心肌纖維化AF患者LA儲(chǔ)存和通道應(yīng)變明顯降低。AF不僅可引起左心功能不全,同時(shí)會(huì)影響右心功能。研究發(fā)現(xiàn)AF患者RA儲(chǔ)存及收縮應(yīng)變明顯降低[42],通過(guò)CMR-FT技術(shù)定量評(píng)估RA應(yīng)變發(fā)現(xiàn)RA功能障礙是MACE獨(dú)立危險(xiǎn)因素;而在陣發(fā)性AF患者中,RA應(yīng)變可能是AF復(fù)發(fā)的已知預(yù)測(cè)因子[43]。因此,應(yīng)用CMR-FT技術(shù)對(duì)心房功能進(jìn)行全面評(píng)估可提供關(guān)于心房更全面的信息,并對(duì)AF等心房疾病的預(yù)測(cè)、診斷、預(yù)后及臨床治療具有指導(dǎo)意義。

6 局限性

CMR-FT應(yīng)變分析是利用CMR標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)電影序列來(lái)定量評(píng)估心肌形變的新型技術(shù),目前應(yīng)變正常值的研究尚不完善,區(qū)分病變心肌和健康心肌(尤其是CS)的最佳閾值尚未確定;其次,人為勾畫(huà)薄壁心肌輪廓和復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)使RV和心房應(yīng)變測(cè)量更加困難且可能存在誤差[44];最后,CMR-FT技術(shù)獲得的心肌應(yīng)變參數(shù)值在不同供應(yīng)商軟件之間存在一定差異性[45],因此,達(dá)成一致協(xié)議是不同軟件供應(yīng)商努力的目標(biāo),以確保不同研究基礎(chǔ)之間具有可比性。

綜上所述,CMR-FT技術(shù)在多種心血管疾病的臨床適用性已得到初步證實(shí)。首先,應(yīng)變分析已被應(yīng)用于LV整體和節(jié)段功能障礙定量評(píng)估,并作為一個(gè)獨(dú)立預(yù)后預(yù)測(cè)指標(biāo)在ICM患者預(yù)后中具有重要價(jià)值。其次,對(duì)于非缺血性心肌病患者而言,評(píng)估心臟結(jié)構(gòu)和功能甚至心肌微形變尤為重要,突出了CMR-FT技術(shù)在多種疾病中各階段的意義。此外,在HFpEF患者中,CMR-FT技術(shù)強(qiáng)調(diào)能早期發(fā)現(xiàn)舒張功能障礙,尤其以LV舒張功能障礙為著。最后,該技術(shù)評(píng)估心房應(yīng)變?cè)诜啃孕募〔☆A(yù)測(cè)、診斷、預(yù)后及臨床治療中具有一定指導(dǎo)意義。然而,現(xiàn)有的研究表明CMR-FT技術(shù)評(píng)估尚存在局限性,期待在今后的研究中,基于更大樣本量,CMR-FT技術(shù)評(píng)估心肌應(yīng)變能為多種心肌疾病發(fā)生和發(fā)展、診斷或預(yù)測(cè)、預(yù)后及臨床治療提供更有意義的影像標(biāo)志。